CN202102727U

CN202102727U - 核电站用闭式冷却水系统

Info

Publication number: CN202102727U
Application number: CN2011201897139U
Authority: CN
Inventors: 石建中; 侯平利; 胡友情
Original assignee: China General Nuclear Power Corp; China Nuclear Power Engineering Co Ltd
Current assignee: China General Nuclear Power Corp; China Nuclear Power Engineering Co Ltd
Priority date: 2011-06-08
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2021-06-08

Abstract

本实用新型公开了一种核电站用闭式冷却水系统，其包括通过管道连接的闭式水泵、闭式水冷却器、各冷却水用户冷却器及与闭式水冷却器并联的凝结水加热器，闭式水冷却器中的开式冷却水吸热后排向海水或其它开式水源中，凝结水经凝结水加热器加热后流向轴封冷凝器，凝结水加热器和闭式水冷却器支路上分别设有阀门，以控制相应支路上的闭式冷却水的通断，闭式冷却水选择性地从凝结水加热器或闭式水冷却器支路通过。本实用新型核电站用闭式冷却水系统在冷季以凝结水作为冷源，对闭式冷却水的余热进行充分利用，在改善机组的经济性的同时，降低了对环境的温排水污染；在热季或特殊工况时切换到以开式冷却水作为冷源，保证对闭式冷却水进行有效的冷却。

Description

核电站用闭式冷却水系统

技术领域

本实用新型涉及核电站内的闭式冷却水系统，尤其是一种能够对闭式冷却水余热进行充分利用的核电站用闭式冷却水系统。

背景技术

节能减排是21世纪发展能源产业的重要课题，核电作为基干能源也必须在保证安全性的前提下尽力提高核能的利用率和减少对环境的排放污染。国内已在这方面进行了许多有益的探讨和尝试，如贺益英等在“电厂循环冷却水余热高效利用的关键问题”（发表于《能源与环境》，2007，No.6，P27~29）中讨论了采用热泵技术回收循环水余热并利用的技术问题；吴佐莲等在“利用热泵技术回收热电厂余热的可行性与经济性分析”（发表于《山东农业大学学报（自然科学版）》，2008，No.1，P62~68）中对利用热泵技术回收循环水余热的可行性和经济性进行了分析。但是，闭式冷却水系统的余热回收和利用仍未受到必要的关注。

闭式冷却水系统是核电站汽轮机组必不可少的重要系统，其功能是将汽轮机厂房设备及部分公用设施（BOP）设备运转产生的热量导出，以保证这些设备的安全运行。由于担负着冷却汽轮发电机及其它辅机设备的任务，闭式冷却水系统中的闭式冷却水一方面在流经各设备时吸收了多余的热量而使自身温度升高，另一方面为了继续保持循环冷却能力必须与其它冷源进行热交换，放出吸收的等量余热以降低到原来的温度。对核电站常规岛闭式冷却水系统的组成及原理的详细描述可参见李林蔚的“Flowmaster2 在核电站闭式冷却水系统仿真中的应用”（发表于《机电工程技术》，2010，No.1，P70~74）。

在传统的核电站中，多是利用海水或江河湖水（以下简称开式水源）作为冷源，将闭式冷却水在各冷却水用户吸收的热量交换出来并排到江河湖海。请参阅图1所示，以大亚湾核电站二代核电站为例，其闭式冷却水系统的循环回路包括闭式水泵10、闭式水冷却器12和各冷却水用户冷却器14，其中的闭式冷却水为除盐水，用户包括汽轮发电机及其它辅机设备。闭式冷却水首先由闭式水泵10升压后送入闭式水冷却器12，在闭式水冷却器12中与开式冷却水系统的开式水换热降温后被分配到各冷却水用户冷却器14，在各冷却水用户冷却器14中吸收热量后成为热回水，其后各冷却水用户冷却器14的热回水汇集于回水母管并送入闭式水泵10的入口，完成闭式冷却水的闭路循环。

但是，传统的闭式冷却水系统是以开式水作为冷源、并将余热直接排放到开式水源中的，这既浪费了宝贵的热能，也加大了对环境的温排水污染。另外，为了使开式冷却水系统运行，需要通过开式水泵16来抽取作为闭式冷却水冷源的开式水，开式水泵16会消耗大量电能。

有鉴于此，确有必要提供一种能够对闭式冷却水余热进行充分利用的闭式冷却水系统。

发明内容

本实用新型的目的在于：提供一种能够对闭式冷却水余热进行充分利用的闭式冷却水系统，以提高能源的利用率并降低对环境的污染。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种核电站用闭式冷却水系统，其包括通过管道连接的闭式水泵、闭式水冷却器、各冷却水用户冷却器及与闭式水冷却器并联的凝结水加热器，闭式水冷却器中的开式水吸热后排向海水或其它开式水源中，凝结水加热器中的凝结水吸收了闭式冷却水的余热后流向轴封冷凝器，凝结水加热器和闭式水冷却器支路上分别设有阀门，以控制相应支路上的闭式冷却水的通断，闭式冷却水选择性地从凝结水加热器或闭式水冷却器支路通过。

作为本实用新型核电站用闭式冷却水系统的一种改进，所述闭式水泵位于各冷却水用户冷却器之后，将从各冷却水用户冷却器汇集来的热回水升压后送至凝结水加热器或闭式水冷却器，热回水在凝结水加热器或闭式水冷却器中降温后再分配到各冷却水用户冷却器。

作为本实用新型核电站用闭式冷却水系统的一种改进，所述闭式水泵位于各冷却水用户冷却器之前，闭式冷却水经闭式水泵增压后送往各路需要冷却的用户负荷，吸收热量后，热回水汇集进入凝结水加热器或闭式水冷却器，换热降温后再次送往闭式水泵的入口。

作为本实用新型核电站用闭式冷却水系统的一种改进，所述凝结水加热器中的凝结水来自凝结水泵，凝结水加热器通过阀门控制与凝结水泵及轴封冷凝器之间的连通关系；凝结水泵与轴封冷凝器之间还设有直接连通的管道，并由阀门控制开闭。

作为本实用新型核电站用闭式冷却水系统的一种改进，所述凝结水加热器为管壳式换热器。

作为本实用新型核电站用闭式冷却水系统的一种改进，所述凝结水加热器中，压力高的凝结水走管程，压力较低的闭式冷却水走壳程，壳程和管程均采用双流程，且采用逆向流换热。

作为本实用新型核电站用闭式冷却水系统的一种改进，所述凝结水加热器为板式换热器。

作为本实用新型核电站用闭式冷却水系统的一种改进，所述闭式水冷却器中的开式水来自开式水泵。

与现有技术相比，本实用新型核电站用闭式冷却水系统在冷季以凝结水作为冷源，对闭式冷却水的余热进行充分利用，在改善机组的经济性的同时，降低了对环境的温排水污染；另外，保留了传统闭式冷却水系统中的闭式水冷却器和开式水泵，以便在热季或特殊工况时切换到以开式水作为冷源，保证对闭式冷却水进行有效的冷却。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型核电站用闭式冷却水系统及其有益技术效果进行详细说明。

图1为核电站传统岛闭式冷却水系统的原理示意图。

图2为本实用新型核电站用闭式冷却水系统的示意图。

图3为本实用新型核电站用闭式冷却水系统的管壳式凝结水加热器结构示意图。

具体实施方式

请参阅图2所示，本实用新型核电站用闭式冷却水系统包括闭式水泵20、凝结水加热器21、闭式水冷却器22、各冷却水用户冷却器24，以及必要的管道和控制元件。其中，凝结水加热器21和闭式水冷却器22为并联布置，二者分别通过阀门210、211、220、221来控制与闭式水泵20、各冷却水用户冷却器24之间的连通关系。凝结水加热器21为管壳式换热器，其中的管侧凝结水来自凝结水泵25，凝结水在凝结水加热器21中吸收了闭式冷却水的余热后流向轴封冷凝器（图未示），凝结水加热器21通过阀门212、213控制与凝结水泵25及轴封冷凝器之间的连通关系。凝结水泵25与轴封冷凝器之间还设有直接连通的管道，并由阀门250控制开闭。闭式水冷却器22中的开式冷却水来自开式水泵26，吸收了闭式冷却水的余热后排向大海或其他开式水源。

工作时，闭式冷却水系统可根据实际情况对凝结水加热器21和闭式水冷却器22两个支路进行选择性使用，具体说明如下。

在海水温度能够保证凝结水泵25的出口水温不大于34℃（相当于凝汽器背压不大于5.3kPa）的季节（简称冷季），使用凝结水加热器21，此时，各阀门的开闭状态如图2所示，阀门210、211、212、213打开，阀门220、221、250关闭。闭式水泵20将从各冷却水用户冷却器24汇集来的热回水（温度约为43℃）升压后送至凝结水加热器21的壳侧，与管侧的来自凝结水泵25、温度不大于34℃的凝结水进行热交换，降温到38℃以下后再分配到各冷却水用户冷却器24，吸收了各冷却水用户冷却器24的热量后再汇集到热回水母管进入闭式水泵20，构成完整的闭式冷却水循环。同时，凝结水加热器21的管侧凝结水在吸收闭式冷却水的余热后，温度会有相应升高，从而使二回路的热经济性得到提高。

在海水温度不能保证凝结水泵25的出口温度不大于34℃的季节（简称热季），或是在机组启动和停机、汽轮机旁路运行等特殊工况下，不能满足凝结水温度不大于34℃时，仍旧使用闭式水冷却器22，此状况下，阀门210、211、212、213关闭，阀门220、221、250打开，闭式水泵20从各冷却水用户冷却器24汇集来的热回水通过闭式水冷却器22冷却后，再分配到各冷却水用户冷却器24，完成闭式冷却水循环。凝结水泵25中的凝结水则不经凝结水加热器21，直接通过阀门250所在的管道输送至轴封冷凝器。

可见，本实用新型的闭式冷却水系统在冷季以凝结水作为冷源，对闭式冷却水的余热进行充分利用；同时保留闭式水冷却器22和开式水泵26，以便在热季或特殊工况时切换到以开式水作为冷源，保证对闭式冷却水进行有效的冷却，确保其能够被冷却至不大于38℃。由于我国的大部分地区都有不同长度的冷季，因此能够对闭式冷却水的余热进行不同程度的回收利用。

本实用新型核电站用闭式冷却水系统中最关键的设备是凝结水加热器21，以位于北方的红沿河核电站1000MW机组为例，经初步研究可采用1台100%容量的管壳式换热器，如图3所示，压力高的凝结水走管程（进口215、出口216），压力较低的闭式冷却水走壳程（进口217、出口218），为缩短换热器长度，壳程和管程均采用双流程，且采用逆向流换热，其初步设计参数如表1所示。

表1 凝结水加热器的技术参数

从表1中的数据可见，增设的凝结水加热器21的外形尺寸相当于一台高压加热器的大小，在设备制造上和厂房布置上均不存在技术上的困难。

与传统的闭式冷却水系统相比，核电站采用本实用新型的闭式冷却水系统，可在以下两方面改善机组的经济性：一是通过回收闭式冷却水系统的余热，增加了二回路系统的热功率，再经过汽轮机和发电机的能量转换增加了机组的发电出力；二是不需要辅助冷却水系统运行，从而节省了辅助冷却水水泵的厂用电消耗。以下仍以红沿河核电厂1000MW级机组为例，从上述两方面对本实用新型的有益效果进行定量评估。

一、机组出力增加的效益评估：

表 2 红沿河电厂海水月平均温度（单位：℃）

Figure 2011201897139100002DEST_PATH_IMAGE002

红沿河厂址的全年月平均海水温度和凝结水温度如表2所示，可知除了七八九月以外的9个月中凝结水温度均低于34℃，满足冷季的定义条件，可以采用凝结水冷却方式。而七八九三个月为热季，可以采用传统的海水冷却方式保证闭式冷却水的给水温度。

上述机组闭式冷却水系统从各冷却水用户吸收来的总热量约为22MW，这些热量通过凝结水加热器21回收到二回路后，大约可使低加凝结水进口温度增加5.6℃，可减少低压加热器的抽气量约10kg/s，使得该部分抽汽能在汽轮机中继续膨胀做功，从而可增加发电机出力ΔN≒1500kW。另冷季9个月的可用小时数t_c＝6570 hr，红沿河机组的设计可用率A=82%，设计寿期L=40年，上网电价P=0.35元/(kw.hr)，根据以上数据可计算出冷季采用凝结水冷却方式的年间出力增加效益E₁和40年寿期的累计出力增加效益E₄₀如下：

E₁＝ΔN×t_c×A×P＝1500×6570×0.82×0.35＝2.83×10⁶元/年（1）

E₄₀=E₁×L=2.83×10⁶×40=113×10⁶元（2）

即因增加机组出力一项每年可增收283万元，40年寿期总计可增收约1.13亿元。

二、节省厂用电的效益评估：

传统的冷却水系统需要利用海水作为冷源来冷却闭式冷却水，例如红沿河机组需要海水流量G₁=1.0 ton/s，全扬程约为H₁＝50m，据此估算每年冷季的厂用电消耗成本为：

C’₁＝G₁×g×H₁×t_c×A×P=1.0×9.81×50×6570×0.82×0.35=0.93×10⁶元/年，式中g为重力加速度，t_c为可用小时数，A为设计可用率，P为上网电价。

若在冷季采用凝结水冷却方式，由于凝结水（流量G₂=0.95ton/s）仅需要增加用于克服凝结水加热器管程阻力所需要的扬程（H₂＝10m），比起抽取海水来冷却闭式冷却水可大幅减少厂用电消耗成本，具体的年间节省成本C₁和40年寿期累计节省成本C₄₀可分别计算如下：

C₁＝C’₁－（G₂×g×H₂×t_c× A×P）

=0.93×10⁶－（0.95×9.81×10×6570×0.82×0.35）=0.75×10⁶元/年

C₄₀= C₁×L=0.75×10⁶×40=30×10⁶元

即因减少厂用电消耗一项每年可节省运行成本75万元，40年寿期总计可节省运行成本3000万元。

综合以上计算结果可得出，该机组采用本实用新型的闭式冷却水系统后，每年可提高经济效益约358万元，寿期40年累计经济效益约1.43亿元。另外，每年还可减少温排水约2100万吨，降低了对周边海洋环境的温排水污染。

在其他实施方式中，凝结水加热器21还可以为其他型式的换热器，如板式换热器，凝结水加热器21的台数可以为一台以上，如2台或3台等；闭式水泵20可位于各冷却水用户冷却器24之前，即闭式冷却水经过增压后送往各路需要冷却的用户负荷，吸收热量后，大量热回水汇集进入凝结水加热器21或闭式水冷却器22，经过换热后，再次送往闭式水泵20的入口参加循环。

本实用新型的闭式冷却水系统也可以应用在核电以外的其他发电厂，如火电厂及太阳能热电厂等。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims

1. 一种核电站用闭式冷却水系统，其包括通过管道连接的闭式水泵、闭式水冷却器和各冷却水用户冷却器，闭式水冷却器中的开式冷却水吸热后排向开式水源中，其特征在于：还包括与闭式水冷却器并联的凝结水加热器，凝结水加热器中的凝结水吸收了闭式冷却水的余热后流向轴封冷凝器，凝结水加热器和闭式水冷却器支路上分别设有阀门，以控制相应支路上的闭式冷却水的通断，闭式冷却水选择性地从凝结水加热器或闭式水冷却器支路通过。

2. 根据权利要求1所述的核电站用闭式冷却水系统，其特征在于：所述闭式水泵位于各冷却水用户冷却器之后，将从各冷却水用户冷却器汇集来的热回水升压后送至凝结水加热器或闭式水冷却器，热回水在凝结水加热器或闭式水冷却器中降温后再分配到各冷却水用户冷却器。

3. 根据权利要求1所述的核电站用闭式冷却水系统，其特征在于：所述闭式水泵位于各冷却水用户冷却器之前，闭式冷却水经闭式水泵增压后再送往各路需要冷却的用户负荷，吸收热量后，热回水汇集进入凝结水加热器或闭式水冷却器，换热降温后再次送往闭式水泵的入口。

4. 根据权利要求1、2或3所述的核电站用闭式冷却水系统，其特征在于：所述凝结水加热器中的凝结水来自凝结水泵，凝结水加热器通过阀门控制与凝结水泵及轴封冷凝器之间的连通关系；凝结水泵与轴封冷凝器之间还设有直接连通的管道，并由阀门控制开闭。

5. 根据权利要求1、2或3所述的核电站用闭式冷却水系统，其特征在于：所述凝结水加热器为管壳式换热器。

6. 根据权利要求5所述的核电站用闭式冷却水系统，其特征在于：所述凝结水加热器中，压力高的凝结水走管程，压力较低的闭式冷却水走壳程，壳程和管程均采用双流程，且采用逆向流换热。

7. 根据权利要求1、2或3所述的核电站用闭式冷却水系统，其特征在于：所述凝结水加热器为板式换热器。

8. 根据权利要求1、2或3所述的核电站用闭式冷却水系统，其特征在于：所述闭式水冷却器中的开式冷却水来自开式水泵。